基因工程生物会导致“基因污染”吗?

   几年前,一些杂志引发了一场关于基因工程玉米的白热化争论,认为基因工程玉米中的基因会扩散到环境中,造成基因污染。但是,对生物体之间基因转移的研究还远远没能够证明这种风险的存在。然而,生命本质上是不可预测的,我们不能完全预料在生物领域我们进行某种活动时将会得到什么结果。


  动植物驯化的新途径-基因工程生物(GMOs)

  农业的出现,是人类发展史上的第一次革命,也是区分新、旧石器时代的重要标志之一。一般说来,农业革命主要包括栽培作物和驯养动物的产生。驯化就是通过人为干预,改变动物或植物的遗传特征,使之更符合人类需求的过程。换句话说,驯化其实是对动物或植物的遗传特征加以人工选择,保留合乎人们意愿的特征或者消除不合人们意愿的特征。自然界中本来就存在“适者生存”的“选择”,但是自然选择作用于所有的生物,具有相对的偶然性和随机性。

  驯化与遗传紧密联系。遗传学的发展是驯化技术发展的基础。

  我们现在知道, DNA是遗传特性的载体,它是由4种化学物质随机排列组成的长链,这些化学物质的排列顺序与DNA在细胞中的基本功能相匹配。细胞中的所有DNA,也就是基因组,基因组中写有指导细胞在特定环境条件下该如何行动的指令——遗传程序,有如一本指导如何做菜的食谱。细胞的其它部分就像计算机,它们能够按照环境提供的线索阅读并解开(部分)遗传程序,使生物具有维持自身、繁殖、对环境变化作出反应以及保护自身不受侵害等功能。每个基因和基因组中的其他成分以及环境相互作用,表现出特定的生物学性状。传统的驯化就是纯粹基于生物所表现出的特性—表型(间接地作用于其基因组)进行选择。
  分子生物学技术的发展使人们能“剪切与粘贴”DNA序列,创造出人工基因。然后这些“基因工程”所产生的基因可以通过生殖细胞或早期胚胎导入生物体的染色体,这个过程称为“基因转移”,携带这些外来基因的生物就被称为“基因工程生物”(Genetically Modified Organism, GMO),俗称转基因生物。转基因生物是传统基因工程的进一步发展,也是基因工程这一科学技术发展的必然趋势。基因工程生物的诞生标志着以基因为基础(直接地作用于其基因组)的性状选择的开始。
  基因工程加速了农业上的新变种培育,引起了所谓的“绿色革命”。但是由于基因工程生物中存在外来基因的引入,人们觉得基因工程生物(实际上是针对基因工程植物,奇怪的是通常不是基因工程动物)是可怕和危险的,会造成“基因污染”,破坏生态环境中的基因库(群体遗传学名词)。

  我们将从科学角度围绕这个问题展开以下四个方面的讨论:

   ※以基因工程为基础的驯化和传统驯化的不同

   ※不同物种生物间的基因转移

   ※驯化生物和未驯化生物间的基因转移

     驯化生物在环境中的稳定性
  1、以基因工程为基础的驯化和传统驯化的不同
  传统驯化中,育种学家先辨别出某一(生物)性状,然后通过杂交育种等常规技术把作物中的这种性状转移到另一作物品种中去。如此经过许多代才能真正培育出一个品种,就植物来说,通常一代就要一年的时间。而在以基因工程为基础的驯化中,人们通过基因工程先分离克隆到编码某一优良性状的特定基因,然后在体外进行操作,通过一种载体将这一基因导入某一作物品种,从而大大加快了品种改良的速度。而且,在以基因工程为基础的驯化中,人们不仅可以从同一种植物(或相关的植物)中选择感兴趣的基因,还可以从完全不相关的生物体(如细菌、别的植物等)中选择所感兴趣的基因,甚至使用完全人造的基因。
  举一个简单的例子。如果我们想分离到一种能抵御昆虫的植物,那么我们可以杂交选育植物(用一种聪明的方式)直到我们找到一株可以抵御昆虫的植物(但这肯定是一个非常慢的过程因为它需要一点点的作调整,而每一次调整都需要至少两代来稳定);我们也可以鉴定出表达产物可以杀死昆虫的基因,从别的植物、动物或者是细菌中提取出这些基因,最后导入这种植物中。传统驯化中的杂交是整个基因组之间的重组,有可能创造出新的物种,如马和驴杂交产生了骡子。而在以基因工程为基础的驯化中,只有一个或一些基因被导入生物体中,并不会导致物种的改变。由于基因工程生物不仅能够用亲本中原来已存在的基因进行重组,而且能够用引自别处甚至是完全人造的基因,这比传统的杂交范围广泛的多。
  很多人认为基因工程生物毕竟是一种“杂种”,心理上难以接受它们。这种心理受文化背景的影响。中国传说中的龙,在欧洲人们看来其实活脱脱就是一种“杂种”,令人害怕。有人就曾这样描述“龙的角似鹿,头如驼,眼睛如兔ÿÿ耳朵像牛”。然而中国人却视龙为“神物”,因为它综合了许多动物中最神奇的部分。
  不过我们对于基因工程生物还有很多研究得不甚清楚透彻的方面,这是引起人们激烈讨论基因工程生物的一个重要原因。
  2、不同物种生物体之间的基因转移
  当人们讨论基因工程生物的影响时,他们通常认定在基因工程植物和野生植物之间存在着基因转移。生物世界中基因转移真的普遍存在吗?
  自然界中很多过程涉及基因转移,例如接合、病毒感染、DNA转化,逆转座等等(现在的转基因技术其实是人工的基因转移)。特定的病毒、噬菌体以及细菌的性征使得细菌之间的横向基因转移尤其多见。而且,在细菌的转化过程中可以直接吸收外界DNA。尽管在很久以前科学家已经发现细菌内也可以发生基因的横向转移,但直到最近人们才认识到此现象的重要意义。这些基因转移现象正被用于在实验室中进行同源生物体间的基因转移。但是,我们对横向转移的起始并不了解,对于细菌间基因转移的程度人们仍在进行激烈的讨论[10]。而至于诸如细菌、古细菌(Archaea)(无核的单细胞生物)及真核生物(有核生物,如动植物)三界间的基因转移的重要意义我们还几乎一无所知。
  由细菌到真核生物的基因转移现象也比较频繁。这种自然现象最早曾被用来生产转基因植物。一些细菌有一个特殊的将基因转入到植物中去的系统[24]。但奇怪的是,除了那些来源于内共生细菌和蓝细菌,导致线粒体和叶绿体生成的基因外,植物体内并没有相对较大范围的细菌基因入侵。而且,并没有足够的迹象表明细菌基因已经入侵植物界,例如抗生素合成基因。这可能反映了不同生物界都有一种固有的保护自己免受外源基因入侵的方法,这种现象在植物抗病毒反应中有明显反映。
  相比之下,自然条件下由真核生物(如动植物)到细菌的基因转移罕见,一般仅以约每百万年一次,甚至每千万年一次的频率发生。虽然在原核生物中发现了真核生物所特有的合成和代谢物降解中起作用的酶[20],但是如果横向转移发生了,那肯定是要经历一个极其漫长的时期的,而且可能发生在进化的初期(尤其可能是在氧气刚刚成为地球的主要污染物的时候[21, 22])。长期以来人们认为铜超氧化物歧化酶(SOD)——细菌中的一个酶是来自宿主动物细胞的,并以此推测自然界中存在由真核生物到细菌的基因转移。然而近来的证据确凿证明了事实并非如此 [14][15]。过去认为,生活在剑鱼(swordfish)肠内的荧光细菌是从它们的寄主那儿通过横向转移获得铜SOD的,因为那时只知道在细菌中只有锰SOD和铁SOD存在。然而新近的研究发现铜SOD也可以在病原菌中存在,事实上在革兰氏阴性菌中普遍存在[16-18],因此荧光细菌中的铜SOD也可能源于多样性进化,在这种情况下区分横向转移和多样性进化就变得困难起来。真核细胞内含有不同的细胞器如线粒体、叶绿体等。这些共生的细胞器可以将其基因缓慢地转移至其宿主细胞的核基因内。即使在这样极端封闭的环境内,细胞器将其基因转移至宿主细胞的核基因内也大概需要一亿年。这些现象表明,即使两个有机体紧密相邻,其间稳定的基因转移也非常罕见。
  一般认为,基因的稳定横向转移与持续的异常环境条件(选择压力)密不可分,这个环境条件包括基因组环境及自然环境。由真核生物(如动植物)到细菌的基因转移罕见可能与真核基因难以在细菌(尤其是革兰氏阳性菌)中表达有关。如果基因转移后其产物不能有效地行使功能,这种基因转移也就没有选择优势。
  3、驯化生物和未驯化生物之间的基因转移
  人们发现遗传学的时候就将其原理运用到了动植物驯化中。在这之前,驯化是一个非常缓慢的过程[33],驯化生物和他们的野生型亲本之间有很多的远缘杂交。然而,尽管原则上说基因能够双向自由移动,但实际上并没有因之产生什么重要影响。如果真是这样的话,那么没有人类活动干扰的情况下,驯化生物早就应该在地球上占主导地位,但事实上并非如此。
  一些杂志引发了一场关于基因工程玉米的白热化争论,认为基因工程玉米中的基因会扩散到环境中[34]。然而这还远远没得到证实。即使能得到证实,这种基因扩散造成的影响也是极低的[35]。现代农业对环境的影响确实很巨大,然而这并不是基因流动引起的,而是由于对野生生物的捕猎、化学肥料的使用以及蓄意用驯化生物代替野生动植物等因素破坏了生态平衡。这些因素的干扰使人们难以单独评估基因工程生物对环境的影响。关于基因流动有很多文献记载,但是没有什么证据能够证明任何重要的基因转移的存在:目前为止狩猎活动和植物砍伐仍是驯化基因取代野生基因最有效的途径。实际上这个领域所开展的实验研究还很少。
  一些研究发现驯化植物和野生植物之间会发生杂交,从而存在从驯化植物到野生植物的持续基因流动。杂草是这种情况发生的最典型的例子,这是因为杂草避免人类砍伐的唯一途径就是尽可能地模仿栽培植物的表型。然而没有研究表明远离大田的地方还可以观察到这种转移。
  人们比较了驯化树种的祖先和目前丰富多样的树种,研究发现它们缺乏相似性。这对驯化树木更容易在野外存活的观念提出质疑。基因组序列的知识将在不久的将来帮助我们阐明这个问题。
     4、驯化物种在环境中的稳定性
  人类驯化动植物已经有10,000多年的历史了。最初起始于野生动植物的杂交育种是非常普遍的,这从狗这一最早被驯化的动物的研究中可以得到很好的证明[38]。因此,整个新石器时代驯化物种与野生物种之间发生了显著的基因流动。但是,随着驯化的发展, 通过人工选择而保留下来的特性越来越难适应野生环境。并且在缺少某种特定的选择压力的情况下,基因流动减少到了一个极低的水平。 这也解释了为什么现代驯化的草种的祖先至今仍然存在的问题 [39]。事实上,如今许多栽培植物和家养动物并不能在野外存活。所谓生物入侵引起的许多问题可能是由于野生型的物种适应了新的生物小环境,例如全球性的气候变暖、污染或偶然事件引发的物种引入。(与世隔绝的小岛或是像澳大利亚这样的大陆尤其是如此,后者就曾被欧洲的大量物种入侵,后果严重[40-44])。
  人类希望通过驯化可以根据自己的意愿培育出某种特性得到增强的生物。例如,马就被驯化成许多不同的品种:有赛马、肉马和专门用来干活的马(随着机械化的到来已经逐渐消失了)。 同样,有的牛被驯化为奶牛,有的则被驯化为肉牛。动植物也可能受到特定的生态环境(例如高山)的选择而拥有了一些特定性状。其实这些驯化动植物面临的主要危险并不是和野生型物种之间的基因混杂,也不是它们自身对人类所构成的危害,而是由于不能为养殖/种植者带来经济效益而被淘汰。然而这些驯化物种却代表了经过几个世纪甚至几千年的人类辛苦劳动才选择下来的非常重要的基因库。保持这些驯化动植物的基因资源是一项具有挑战性的工作,这一目标只能通过建立特殊的基因库和/或提高养殖/种植者的收入来达到[45]。
  告诫:生命本质上是不可预测的
  所有这些都似乎在告诉我们,基因工程生物应该说并不会引起一些媒体所渲染的“基因污染”。不过,我还是要以一段告诫来结束这篇文章(这告诫适用于任何一种类型的人工选择,包括传统驯化)。
  生命本质上是不可预测的,所以我们不能完全预料我们在这个领域进行某种活动时将是什么结果。基因组是提供生命有机体所需的发育、生存、进化的一套完整文本,但是仅从基因组序列预测所有的生命活动是不可能的[46]。人们可以把细胞及其遗传程序想象成计算机及其程序。这个特别的计算机具有这样的特性,即它通过程序进行密码解译和修饰,为自身活动提供了恰当的指令。由于程序的运行有赖于执行程序条件的数据,在细胞中即整个基因组和内环境、外环境,原则上,我们永远不可能准确预测特定遗传程序的具体产物。而执行程序中,很微小的差别就能产生巨大的结果。所以,当研究涉及生物体时,我们应永远牢记生命的不可预测性。(http://www.ebiotrade.com/)